礦山生命信息探測儀在事故救援中的應(yīng)用

文 虎，唐 瑞，劉名陽，王 虎，張 鐸，鄭學(xué)召，樊世星，程小蛟，金永飛

（1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.國家礦山應(yīng)急救援西安研究中心，陜西 西安 710054；3.陜西省煤火災(zāi)害防治重點實驗室，陜西 西安 710054）

礦井空間受限、巷道復(fù)雜、障礙物多，火災(zāi)及瓦斯爆炸等熱動力災(zāi)害后，井下供電及通信系統(tǒng)嚴(yán)重破壞甚至癱瘓[1-2]，地面與井下人員的信息溝通往往會被中斷，地面人員難以及時、動態(tài)地掌握井下遇險人員的分布情況和所在的具體位置，難以準(zhǔn)確掌握井下災(zāi)區(qū)的真實情況和發(fā)展趨勢[3-4]。因此，救援工作地開展就存在盲目性，制定的方案就缺乏針對性，往往錯過許多最佳的救援時機，導(dǎo)致被困人員死亡[5]。

傳統(tǒng)的礦井救援通過打通堵塞巷道接近被困人員，當(dāng)巷道嚴(yán)重堵塞時，需要花費大量的時間，救援的成功率并不是很高[6]。近年來，礦井垂直救援技術(shù)廣泛應(yīng)用于多起事故救援，通過施工小直徑鉆孔搜尋井下被困人員并作為維生通道，確定被困人員位置及身體狀況后，通過施工大直徑鉆孔將被困人員提升至地面。在垂直救援過程中，先進的鉆孔探測裝置顯得尤為重要，可準(zhǔn)確監(jiān)測鉆孔和井下巷道真實情況，對制定科學(xué)、有效的救援方案至關(guān)重要[7-9]。

國外鉆孔探測裝備最先應(yīng)用于油氣勘探領(lǐng)域，并逐步形成鉆孔電視光學(xué)成像系統(tǒng)[10]。我國鉆孔探測裝備興起于管道及鉆孔故障探查[11-12]。國內(nèi)的救援通信裝備主要為有線聲能電話及KTE5 型礦山救援可視化指揮裝置等[13]，但同時不具備視頻監(jiān)控、語音對講及井下環(huán)境監(jiān)測功能，無法滿足礦井垂直救援的迫切需要。

針對垂直救援可視化程度低、難以動態(tài)掌握井下環(huán)境等問題，井孔聲像探測裝置具備視/音頻功能，但該裝置不具備救援全過程的視/音頻回放功能[14]；將探測機器人通過小直徑鉆孔下放至井下，用于采集井下圖像及環(huán)境參數(shù)信息，但機器人形狀不規(guī)則、體積較大，容易堵塞維生鉆孔，且對防水要求較高，無法保證可靠運行[15-16]。由西安科技大學(xué)研發(fā)的生命信息鉆孔探測系統(tǒng)[17-21]，可將探測到的關(guān)鍵信息通過通信兼提升電纜傳輸至救援指揮中心，具備視/音頻、關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測功能，并實時存儲探測信息，通過終端顯示和回放，為制定科學(xué)、有效的救援方案重要參考依據(jù)，并成功應(yīng)用于山東省臨沂市平邑縣萬莊石膏礦坍塌事故及山東省棲霞市笏山金礦爆炸事故救援中，為探測鉆孔孔壁的涌水、坍塌，以及井下被困人員情況發(fā)揮了重大作用。為此，在介紹生命信息鉆孔探測系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，對生命信息探測儀在山東省臨沂市平邑縣萬莊石膏礦坍塌事故及山東省棲霞市笏山金礦爆炸事故救援中的實際應(yīng)用效果進行分析，為今后礦井鉆孔救援通信裝備的升級提供參考資料。

1 生命信息探測儀原理與特點

1.1 系統(tǒng)組成

生命信息鉆孔探測系統(tǒng)連接圖如圖1。生命信息鉆孔探測系統(tǒng)主要由4 部分組成：生命信息探測器、高強度傳輸線纜、線輪盤、系統(tǒng)專用筆記本電腦。該系統(tǒng)引入通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖像處理及多媒體技術(shù)，將探測到多媒體信息實時上傳至地面救援指揮部和國家局礦山救援指揮中心，實現(xiàn)救災(zāi)通訊可視化、救災(zāi)指揮專家化、事故分析科學(xué)化信息傳遞網(wǎng)絡(luò)化。

圖1 生命信息鉆孔探測系統(tǒng)連接圖Fig.1 Connection diagram of the vital information drilling detection system

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)總體設(shè)計原理圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計原理圖Fig.2 Schematic diagram of overall system design

探測器利用自身攜帶的井下本安型紅外攝像儀及多參數(shù)傳感器自動采集井下事故現(xiàn)場圖像、環(huán)境參數(shù)，并將采集到的圖像、環(huán)境氣體參數(shù)連同耳麥中的音頻信號一起發(fā)送到OFDM 無線傳輸模塊。視/音頻、環(huán)境參數(shù)合成壓縮模塊首先將模擬的音頻、視頻信號、環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后采用H.264 壓縮編碼，QPSK 調(diào)制、卷積編碼等處理后傳輸至OFDM 發(fā)送模塊與無線射頻將數(shù)據(jù)發(fā)出。地面接收端基站集成了OFDM 接收模塊與射頻接收模塊，接收模塊與計算機通過USB 接口連接。

系統(tǒng)采用SDSL 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，將發(fā)送與接收模塊之間的最大傳輸距離增加至4 km。采集模塊將采集到的多媒體信息經(jīng)過調(diào)制，將信號傳輸至SDSL 模塊，通過礦用專用線纜傳輸?shù)降孛?。地面接收端基站中的SDSL 模塊將數(shù)字信號再調(diào)制成網(wǎng)絡(luò)信號，SDSL 線路接入模塊解碼提供1 個RJ45 用戶端接口，最后通過計算機將視頻和音頻信息展示給救援人員。

2 關(guān)鍵參數(shù)

1）幾何尺寸。由于垂直救援鉆孔施工難度大，為保證救援效率，先通過施工小直徑鉆孔確定被困人員位置，建立通信和給養(yǎng)通道，為保證生命通道暢通，生命信息探測器要求小型化，結(jié)合鉆孔施工和通信可靠性要求，確定探測器直徑為80 mm，長度為480 mm；通信線輪盤直徑為440 mm，高度為610 mm。

2）通訊方式及電磁波頻段。生命信息探測器為本質(zhì)安全型設(shè)計，可以采集低照度環(huán)境下的圖像、音頻及環(huán)境參數(shù)，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號調(diào)制后通過線纜輸出至地面雙路無線信號傳輸控制輪盤，傳輸速率大于1.5 Mbps，并具備低照度下自動補光功能；線輪盤為一般兼本質(zhì)安全型設(shè)計，具有將生命信息探測器探測到的圖像、聲音及環(huán)境參數(shù)信號傳輸至地面筆記本電腦的功能，并有通信指示功能，中心頻率為（2.44±0.05）GHz，發(fā)射功率在不含天線情況下為-20～15 dBm。探測器與線輪盤之間通過通信兼提升纜線連接，線輪盤與筆記本電腦之間通過無線傳輸多媒體信號。

3）攝像頭清晰度及探測范圍。井下發(fā)生災(zāi)害后，供電系統(tǒng)往往處于癱瘓狀態(tài)，為保證探測器在全黑環(huán)境中探測距離盡量遠，攝像頭采用紅外補光方式增大探測距離，探測器最低照度小于0.2 lux，水平清晰度大于350 線，灰度等級大于7 級，探測半徑大于10 m。

4）運行時間。探測器根據(jù)本質(zhì)安全型相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，并符合煤礦MA ia 等級，連續(xù)工作時間大于8 h；線輪盤為一般兼本質(zhì)設(shè)計，運行時間大于10 h，并支持防爆手機、平板電腦等終端設(shè)備接入。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 平邑石膏礦坍塌事故救援中的應(yīng)用

2015 年12 月25 日，山東省臨沂市平邑縣萬莊石膏礦區(qū)發(fā)生坍塌事故，造成玉榮石膏礦29 名礦工被困。在山東省臨沂市平邑縣萬莊石膏礦區(qū)“12.25”坍塌事故救援指揮部的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下，專家組采用團隊自主研制開發(fā)的“生命信息鉆孔探測系統(tǒng)”成功發(fā)現(xiàn)4 名被困人員并與其進行了視/音頻溝通，及時掌握了4 名被困人員的身體狀況。在后續(xù)救援中，專家組利用該探測系統(tǒng)對井下巷道情況、救生鉆孔施工情況、套管變形情況等多種信息進行了探測。

3.1.1 應(yīng)用探測系統(tǒng)搜尋被困人員

2015 年12 月30 日8 時，原定第4 條生命通道中的2 號鉆孔與4 號礦井的井底車場東側(cè)巷道貫通，平邑石膏礦鉆孔探測布置圖如圖3。

圖3 平邑石膏礦鉆孔探測布置圖Fig.3 Borehole detection layout of Pingyi gypsum mine

在生命信息鉆孔探測系統(tǒng)首次下放過程中，因鉆孔套管內(nèi)存在淤泥，下放受阻。經(jīng)過短暫清管后，再次下放設(shè)備，并于10 時55 分下放至井下巷道位置，發(fā)現(xiàn)4 名被困礦工。通過該系統(tǒng)，救援人員清楚地與被困人員進行了實時的音、視頻溝通，掌握了被困人員的身體狀況和井下災(zāi)區(qū)情況。救援人員利用生命信息探測系統(tǒng)探測到井下被困人員，并進行語音對講。

3.1.2 應(yīng)用探測系統(tǒng)探查鉆孔情況

在后續(xù)救援過程中，利用生命信息鉆孔探測系統(tǒng)對鉆孔的卡鉆情況、鉆孔內(nèi)淤泥及水位情況等信息進行了探查，及時準(zhǔn)確地得到了相關(guān)鉆孔信息，為指揮部及時調(diào)整救援方案和鉆孔施工方案提供了寶貴的資料，為大直徑鉆孔的成功貫通起到了重要作用。

1 月29 日下放生命信息鉆孔探測系統(tǒng)探測5號救生鉆孔，通過視頻圖像發(fā)現(xiàn)鉆孔內(nèi)有泥沙堵孔及積水，指揮部決定疏通鉆孔。

再次下放生命信息鉆孔探測系統(tǒng)探查了5 號救生鉆孔的全井筒，發(fā)現(xiàn)井筒暢通，達到了提人條件。但探測器探查到200 m 處套管末端有1 處大致3～5 cm 的卷邊變形，指揮部決定采用消防安全繩索提人，4 名被困礦工最終通過大直徑鉆孔安全提升至地面。

3.2 笏山金礦爆炸事故救援中的應(yīng)用

2021 年1 月10 日，山東棲霞笏山金礦發(fā)生井筒爆炸事故，礦工出入井下唯一的梯子間和罐籠嚴(yán)重損壞、無法正常運行，通信線路中斷，井下22 名礦工生死不明。現(xiàn)場采用垂直救援方式，笏山金礦鉆孔布置示意圖如圖4。

圖4 笏山金礦鉆孔布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of drilling arrangement of Hushan gold mine

3.2.1 搜尋生命信息與探測救生鉆孔

在1 號孔使用雙視頻音頻探測器，通過探測器實時掌握井下巷道的環(huán)境情況，24 h 不停監(jiān)測，并利用設(shè)備喊話，搜尋失聯(lián)人員。

通過下放視頻音頻環(huán)境參數(shù)探測器，掌握井下氧氣、一氧化碳、甲烷、溫濕度等情況。潛水視頻探測器探測了1#鉆孔的涌水量及水位上升速度，為專家組提供了的參考資料，專家組經(jīng)過測算掌握了井下實際涌水量和水位上升速度。

3.2.2 聯(lián)絡(luò)幸存礦工

在井深586 m 處“連線”11 名幸存礦工，探測了3#救生鉆孔情況、井下巷道生存空間和積水狀況。救援團隊先后運送6 臺探測器，3 個850 m 線長的實時通信布線輪，多鉆孔、24 h 不間斷監(jiān)控“生命維護監(jiān)測通道、生命救援通道、排水保障通道、輔助探測通道”。

通過現(xiàn)場實時分析和信息回溯研判，掌握了被困人員生理、心理和精神狀態(tài)，確定了救生鉆孔的涌水點和出水情況，提供了救生鉆孔堵水靶向信息，為專家組制定救援技術(shù)、給養(yǎng)和醫(yī)療等方案提供了可靠的井下現(xiàn)場一手資料，也為明確“3+1”通道救援方案提供了科學(xué)指導(dǎo)。

4 結(jié) 語

針對礦井垂直救援過程中井下與地面通信困難，救援人員難以動態(tài)掌握被困人員位置及身體狀況等關(guān)鍵信息，采用多媒體信息采集及多元信息融合傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了生命信息探測系統(tǒng)，在山東省臨沂市平邑縣萬莊石膏礦坍塌事故及山東省棲霞市笏山金礦爆炸事故救援過程中為指揮部提供可靠的信息資料。

1）生命信息鉆孔探測系統(tǒng)具有圖像、語音等多媒體信號攝入、檢測、存儲、顯示和回放功能，可與外網(wǎng)無縫接入，實現(xiàn)多級、多地指揮部門的統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮，保證科學(xué)救援。

2）利用裝置可以深入救護隊員無法進入的井下災(zāi)區(qū)，適應(yīng)高溫、潮濕等復(fù)雜環(huán)境，在無需借助井下任何通信設(shè)施和外圍網(wǎng)絡(luò)支持的條件下，可獨立穩(wěn)定運行，系統(tǒng)工作時間大于8 h，滿足垂直救援探測需求。

3）可準(zhǔn)確探測井下人員生存空間以及鉆孔孔壁坍塌、鉆孔內(nèi)殘渣存留、鉆孔涌水、裸孔段孔壁的完整性、套管變形以及等關(guān)鍵信息，為鉆孔施工、人員搜尋及提升、救援方案制定等提供參考資料。